Tecnologie FV a film sottile: stato dell arte e prospettive

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1 Unità Tecnico Scientifica FONTI RINNOVABILI E CICLI ENERGETICI INNOVATIVI Tecnologie FV a film sottile: stato dell arte e prospettive Ing.. Carlo Privato I giovedì della cultura scientifica Casaccia,, 111 settembre 2003

2 I vantaggi delle tecnologie FV a film sottili 9 notevole riduzione della quantità di materiale attivo utilizzato e quindi dei costi associati 9 riduzione dei costi energetici di produzione 9 costruzione di moduli di grande area monolitici con minori costi di allestimento e maggiore affidabilità 9 possibilità di realizzare multigiunzioni per sfruttare al meglio lo spettro solare 9 possibilità di realizzare moduli esteticamente attraenti e flessibili

3 I vantaggi delle tecnologie FV a film sottili notevole riduzione della quantità di materiale attivo utilizzato e quindi dei costi associati riduzione dei costi energetici di produzione costruzione di moduli di grande area monolitici con minori costi di allestimento e maggiore affidabilità possibilità di realizzare multigiunzioni per sfruttare al meglio lo spettro solare possibilità di realizzare moduli esteticamente attraenti e flessibili

4 I vantaggi delle tecnologie FV a film sottili notevole riduzione della quantità di materiale attivo utilizzato e quindi dei costi associati riduzione dei costi energetici di produzione costruzione di moduli di grande area monolitici con minori costi di allestimento e maggiore affidabilità possibilità di realizzare multigiunzioni per sfruttare al meglio lo spettro solare possibilità di realizzare moduli esteticamente attraenti e flessibili

5 I vantaggi delle tecnologie FV a film sottili notevole riduzione della quantità di materiale attivo utilizzato e quindi dei costi associati riduzione dei costi energetici di produzione costruzione di moduli di grande area monolitici con minori costi di allestimento e maggiore affidabilità possibilità di realizzare multigiunzioni per sfruttare al meglio lo spettro solare possibilità di realizzare moduli esteticamente attraenti e flessibili

6 I vantaggi delle tecnologie FV a film sottili notevole riduzione della quantità di materiale attivo utilizzato e quindi dei costi associati riduzione dei costi energetici di produzione costruzione di moduli di grande area monolitici con minori costi di allestimento e maggiore affidabilità possibilità di realizzare multigiunzioni per sfruttare al meglio lo spettro solare possibilità di realizzare moduli esteticamente attraenti e flessibili

7 I vantaggi delle tecnologie FV a film sottili notevole riduzione della quantità di materiale attivo utilizzato e quindi dei costi associati riduzione dei costi energetici di produzione costruzione di moduli di grande area monolitici con minori costi di allestimento e maggiore affidabilità possibilità di realizzare multigiunzioni per sfruttare al meglio lo spettro solare possibilità di realizzare moduli esteticamente attraenti e flessibili

8 I vantaggi delle tecnologie FV a film sottili notevole riduzione della quantità di materiale attivo utilizzato e quindi dei costi associati riduzione dei costi energetici di produzione costruzione di moduli di grande area monolitici con minori costi di allestimento e maggiore affidabilità possibilità di realizzare multigiunzioni per sfruttare al meglio lo spettro solare possibilità di realizzare moduli esteticamente attraenti e flessibili Le tecnologie FV a film sottile hanno i requisiti giusti per consentire un ampia diffusione del fotovoltaico in edilizia

9 Il mercato dei moduli FV Monocristallino 29,4% Multicristallino Altro 1,5% a-si thin film 5,5% Al contrario delle 54,4% aspettative la tecnologia 2002 del c-si in wafer (1 a generazione) domina il mercato e anche i nuovi investimenti a-si su c-si 5,9% Ribbon (Si) 3,3% Multicristallino 48,9% 2000 Monocristallino 31% Altro 1,3% a-si thin film 9,4% a-si su c-si 4,2% Ribbon (Si) 5,1% Fonte: PV News

10 Prospettive dei film sottili nel FV Tipo Si monocrist. Massima efficienza celle di lab Massima efficienza moduli 22.7 Efficienza moduli commerciali Tossicità del cadmio Problemi di incapsulamento Si multicrist a-si CdTe CuInGaSe Basso yield di produzione Scarsa disponibilità di In Problemi di incapsulamento Il futuro del ruolo dei film sottili nel FV piano è affidato alle tecnologie basate sul silicio Giunzioni multiple di a-si e sue leghe Tandem ibride a-si/µc-si Giunzioni singole di poly-si

11 Attività ENEA sulle celle solari a film sottile Realizzazione di dispositivi fotovoltaici con efficienza elevata ma soprattutto stabile. Sviluppo di tecnologie di preparazione di film sottili di silicio microcristallino Uso di substrati economici e/o flessibili (vetro, polimeri, acciaio) Sviluppo di tecnologie di preparazione di ossidi trasparenti e conduttori

12 Attività ENEA sulle celle solari a film sottile Silicio microcristallino grano colonnare cristallita PECVD a bassa temperatura SiH 4 fortemente diluito in H 2 regione amorfa substrato materiale a fase mista costituito da piccole regioni cristalline connesse tra loro da regioni amorfe

13 Attività ENEA sulle celle solari a film sottile Celle solari in silicio microcristallino Il µc-si rispetto all a-si a-si garantisce maggiore stabilità e può assorbire luce con λ > 800 nm,, ma ha coefficiente di assorbimento relativamente basso. Sono necessari grandi spessori (1 3 µm) Sono necessarie alte velocità di crescita del film Very High Frequency PECVD

14 Attività ENEA sulle celle solari a film sottile Celle solari in silicio microcristallino: : primi risultati Tecnica : VHF PECVD Dispositivi di tipo p-i-n Substrato: Vetro/SnO 2 /ZnO Area: 1 cm 2 micrografia SEM light Strato attivo intrinseco: Frequenza = 100 MHz Potenza = 20 W H 2 /(SiH 4 +H 2 )= 96% Strato n: 100 Å Strato i: 1 µm Strato p: 150 Å SnO 2 + ZnO vetro

15 Attività ENEA sulle celle solari a film sottile Laboratorio celle solari in silicio microcristallino 91 camera PECVD per film drogati n/p 91 camera PECVD per film intrinseci 91 camera HWCVD 91 camera di sputtering 91 camera per trattamenti termici 9Camera di trasferimento U ltra H igh Vacuum C luster ToolSystem 9Camera Load Lock

16 Attività ENEA sulle celle solari a film sottile Ossidi trasparenti e conduttivi per celle solari con strato attivo microcristallino Proprietà del TCO usato come elettrodo frontale Conduttivo Rsh= 5-15 Ω/sq, ρ= 5 x 10-4 Ωcm Trasparente ( λ= nm) T tot > 80% Antiriflettente Testurizzato Light-trapping Tipi di ossidi: SnO 2 droganti:f, Sb In 2 O 3 :Sn (ITO) ZnO droganti:al, B Tecniche di deposizione: spray pyrolysis, evaporazione, ion beam, MOCVD, sputtering

17 Attività ENEA sulle celle solari a film sottile Low-Pressure Metal Organic Chemical Vapour Deposition Precursori metallorganici di Zn (DEZ o DMZ) Drogante (diborano o TMB) - T dep = C H 2 O o O 2 - Alta velocità di deposizione: 20-30? /sec (LP-MOCVD) ZnO - Processo soft di non equilibrio riduzione dei difetti superficiali del materiale e quindi interfaccia di alta qualità - Crescita colonnare mista - Alta testurizzazione Reazione a catena di ossidazione Sviluppo di un impianto pilota per larga area